In den elf Jahren seit seiner Entdeckung am Large Hadron Collider (LHC) hat sich das Higgs-Boson zu einem zentralen Weg entwickelt, um Licht auf die grundlegende Struktur des Universums zu werfen. Präzise Messungen der Eigenschaften dieses besonderen Teilchens gehören zu den leistungsfähigsten Werkzeugen, die Physikern zur Verfügung stehen, um das Standardmodell zu testen, die derzeit die Theorie ist, die die Welt der Teilchen und ihrer Wechselwirkungen am besten beschreibt. Bei der Lepton-Photonen-Konferenz Diese Woche berichtete die ATLAS-Kollaboration, wie sie die Masse des Higgs-Bosons präziser als je zuvor gemessen hat.
Die Masse des Higgs-Bosons wird vom Standardmodell nicht vorhergesagt und muss daher durch experimentelle Messung bestimmt werden. Sein Wert bestimmt die Stärke der Wechselwirkungen des Higgs-Bosons mit den anderen Elementarteilchen sowie mit sich selbst. Eine genaue Kenntnis dieses fundamentalen Parameters ist der Schlüssel zu genauen theoretischen Berechnungen, die es den Physikern wiederum ermöglichen, ihre Messungen der Eigenschaften des Higgs-Bosons mit Vorhersagen aus dem Standardmodell zu vergleichen. Abweichungen von diesen Vorhersagen würden auf das Vorhandensein neuer oder unerklärter Phänomene hinweisen. Die Masse des Higgs-Bosons ist auch ein entscheidender Parameter für die Entwicklung und Stabilität des Vakuums im Universum.
Seit der Entdeckung des Teilchens führen die Kooperationen ATLAS und CMS immer präzisere Messungen der Masse des Higgs-Bosons durch. Die neue ATLAS-Messung kombiniert zwei Ergebnisse: eine neue Massenmessung des Higgs-Bosons, die auf einer Analyse des Zerfalls des Teilchens in zwei hochenergetische Photonen (der „Diphotonenkanal“) basiert, und eine frühere Massenmessung, die auf einer Untersuchung seines Zerfalls in vier Leptonen (der „Vier-Leptonen-Kanal“) basiert.
Die neue Messung im Diphotonenkanal, die Analysen der vollständigen ATLAS-Datensätze aus den Läufen 1 und 2 des LHC kombiniert, ergab eine Masse von 125,22 Milliarden Elektronenvolt (GeV) mit einer Unsicherheit von nur 0,14 GeV. Mit einer Genauigkeit von 0,11 % ist dieses Diphotonenkanal-Ergebnis die bisher genaueste Messung der Masse des Higgs-Bosons aus einem einzelnen Zerfallskanal.
Im Vergleich zur vorherigen ATLAS-Messung in diesem Kanal profitiert das neue Ergebnis sowohl vom vollständigen ATLAS Run 2-Datensatz, der die statistische Unsicherheit um den Faktor zwei reduzierte, als auch von dramatischen Verbesserungen bei der Kalibrierung von Photonenenergiemessungen, die die systematische Unsicherheit fast um den Faktor vier auf 0,09 GeV verringerten.
„Die in dieser Analyse verwendeten fortschrittlichen und strengen Kalibrierungstechniken waren entscheidend dafür, die Präzision auf ein so beispielloses Niveau zu bringen“, sagt Stefano Manzoni, Leiter der ATLAS-Untergruppe für Elektronen-Photonen-Kalibrierung. „Ihre Entwicklung dauerte mehrere Jahre und erforderte ein tiefes Verständnis des ATLAS-Detektors. Sie werden auch künftigen Analysen von großem Nutzen sein.“
Als die ATLAS-Forscher diese neue Massenmessung im Diphotonenkanal mit der früheren Massenmessung im Vier-Leptonen-Kanal kombinierten, erhielten sie eine Higgs-Boson-Masse von 125,11 GeV mit einer Unsicherheit von 0,11 GeV. Mit einer Genauigkeit von 0,09 % ist dies die bisher genaueste Messung dieses grundlegenden Parameters.
„Diese sehr präzise Messung ist das Ergebnis der unermüdlichen Investition der ATLAS-Zusammenarbeit in die Verbesserung des Verständnisses unserer Daten“, sagt ATLAS-Sprecher Andreas Hoecker. „Leistungsstarke Rekonstruktionsalgorithmen gepaart mit präzisen Kalibrierungen sind die entscheidenden Zutaten für Präzisionsmessungen. Die neue Messung der Masse des Higgs-Bosons trägt zur immer detaillierteren Kartierung dieses wichtigen neuen Bereichs der Teilchenphysik bei.“